CN105710893B - 一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人 - Google Patents

一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人，属于工业机器人应用技术领域。该机器人包括固定机架、翻转装置、两套驱动支链、八套驱动装置及输送带装置。驱动装置中的两套分侧对称固定安装于翻转装置上，另外六套分侧固定安装于固定机架上；驱动支链一侧固定连接于翻转装置上，另一侧分别同心安装在三套驱动装置上，两套驱动支链作为翻转装置的动平台为其提供两个平动自由度，翻转装置两侧的两套驱动装置实现其绕Z轴的转动自由度。本发明采用两套完全相同的驱动支链结构限制翻转装置的两个转动自由度，有效地解决了工业机器人安全性、稳定性和灵活性等问题，且具有制作简单、安装调试方便及制造成本较低等特点。

Description

一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人
技术领域：
本发明属于工业机器人应用技术领域，具体涉及一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人。
背景技术：
轻工、医药和食品等行业的自动化生产线中，诸如分拣、包装、封装，特别是在物料搬运，物料翻转等这种重复、枯燥尤为突出工作中，为了减轻人类劳动强度，提升机器稳定性、灵活性，提高产品制造精度，在作业工序中往往需要安置重复性工作的工业机器人，而采用多重自由度空间机器人显得没必要或是制造成本过高，另外，一般的工业机器人价格较高，设备贵重，结构不够精密，无法满足人们同时对功能性、轻便化、高精度等多方面的较高要求。如传统的串联五轴机器人制造成本过高。为满足轻负载快速稳定工序作业的需求，采用同向布置驱动支链外加多重驱动装置同步驱动是一个相对较好的发展方向。对环境要求不高，更具有柔性。可以提高机器人的研发速度,降低成本,为机器人进一步设计提供了方向及理论依据。
发明内容：
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人，该机器人机构是一种实现空间物料搬运翻转的机器人机构。
本发明提供的一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人包括固定机架15、翻转装置、两套结构相同且对称设置的驱动支链及输送带装置。
所述翻转装置包括第一翻转大爪2、第二翻转大爪41、第一驱动装置8、第六驱动装置30、第一驱动气缸6、第二驱动气缸7、第三驱动气缸47、第四驱动气缸48、减速机箱1、定位安装板3、瓶爪4、瓶爪垫5、驱动夹板42及定位基板43；所述第六驱动装置30通过螺栓固连在所述减速机箱1上，所述减速机箱1与所述第一翻转大爪2通过轴承和轴同心连接形成转动副；所述第一翻转大爪2通过所述驱动夹板42与所述定位安装板3固连，所述定位安装板3与所述定位基板43通过螺栓固连，所述瓶爪4与所述定位基板43通过螺栓固连，所述瓶爪垫5通过粘合剂与所述瓶爪4粘接，所述第一翻转大爪2与所述第二翻转大爪41结构相同且对称设置；所述第一驱动装置8与所述第六驱动装置30对称布置；所述第三驱动气缸47及第四驱动气缸48同心对称安装于所述第一翻转大爪2内部两侧，所述第三驱动气缸47包括气缸活塞板44、第一气缸底座板45及第二气缸底座板46，所述第三驱动气缸47及第四驱动气缸48通过螺栓固连于所述驱动夹板42上，所述第一驱动气缸6及第二驱动气缸7同心对称安装于所述第二翻转大爪41内部两侧，所述第一驱动气缸6、第二驱动气缸7、第三驱动气缸47及第四驱动气缸48的结构相同。
所述驱动支链包括点头法兰17、保姿态杆19、小臂18、小臂拉杆20、大臂21、三角连接架22、支撑姿态杆25、传动姿态杆26、姿态杆连接座27、第二驱动装置13、第三驱动装置14、第四驱动装置16、第五驱动装置29、第七驱动装置35及第八驱动装置36；所述第二驱动装置13由电机和第一谐波减速器39组成，所述第三驱动装置14由电机和第二谐波减速器38组成，所述第四驱动装置16由电机和第三谐波减速器37组成，所述第五驱动装置29由电机和第四谐波减速器32组成，所述第七驱动装置35由电机和第五谐波减速器33组成，所述第八驱动装置36由电机和第六谐波减速器34组成，所述第二驱动装置13、第三驱动装置14、第四驱动装置16、第五驱动装置29、第七驱动装置35及第八驱动装置36均通过螺栓分别固定连接于所述固定机架15上，所述第二驱动装置13与所述第四驱动装置16同心对称布置，所述第五驱动装置29与所述第八驱动装置36同心对称布置；所述点头法兰17与所述第六谐波减速器34之间通过转动铰链连接；所述小臂18与所述第四谐波减速器32之间通过转动铰链连接；所述大臂21与所述第五谐波减速器33之间通过转动铰链连接，所述大臂21与所述三角连接架22通过轴承和轴同心连接形成转动副；所述保姿态杆19的两端分别与所述三角连接架22及所述点头法兰17通过转动铰链连接；所述小臂拉杆20的两端分别与所述支撑姿态杆25及所述小臂18通过转动铰链连接；所述支撑姿态杆25与所述姿态杆连接座27通过转动铰链连接；所述支撑姿态杆25与所述大臂21通过轴承和轴同心连接形成转动副；所述传动姿态杆26与所述姿态杆连接座27通过转动铰链连接；所述传动姿态杆26与所述三角连接架22通过轴承和轴同心连接形成转动副；所述小臂拉杆20的杆长与所述大臂21的杆长相等；所述小臂拉杆20、大臂21、小臂18及所述支撑姿态杆25通过运动副构成平行四边形结构，所述传动姿态杆26、三角连接架22、姿态杆连接座27及所述支撑姿态杆25通过运动副构成平行四边形结构。
所述输送带装置包括第一输送带9、第二输送带49、防护挡板10、滚筒11、输送机架12、酒瓶插台23及酒瓶样件24；所述输送机架12与所述固定机架15固定在同一水平面上；所述第一输送带9与所述第二输送带49位于同一平面上，所述第一输送带9与所述第二输送带49通过所述滚筒11水平对称设置在所述输送机架12上，所述防护挡板10对称设置在所述第一输送带9及第二输送带49的两侧，所述第一输送带9及第二输送带49与所述第一翻转大爪2及第二翻转大爪41保持平行；所述酒瓶插台23水平设置在所述第二输送带49上，所述酒瓶样件24竖直安装在所述酒瓶插台23上。
所述姿态杆连接座27通过螺栓固定连接于所述减速机箱1上。
所述两套结构相同且对称设置的驱动支链同向设置于所述固定机架15的两侧。
所述第一驱动装置8及第六驱动装置30采用伺服电机-减速器结构；所述第一驱动气缸6、第二驱动气缸7、第三驱动气缸47及第四驱动气缸48采用气动装置；所述第二驱动装置13、第三驱动装置14、第四驱动装置16、第五驱动装置29、第七驱动装置35及第八驱动装置36采用伺服电机-谐波减速器结构。
本发明采用两套完全相同的驱动支链驱动翻转装置，两套驱动支链在两套相同驱动装置驱动下同步作业，同时在驱动支链中采用了连杆杆件的平行四边形定理，限制了翻转装置的运动轨迹，保证翻转装置有确定的稳定性以及位置精度，两套驱动支链的共同约束作用下，限制了翻转装置的回转自由度，使得翻转装置相对于固定机架仅具有两个平动自由度和一个回转自由度，保证了机器人的姿态稳定。八组驱动装置提供的运动驱动，使得该机器人具有确定的运动，保证了该机构位置精确。
本发明具有以下特点：
(1)本发明的翻转装置的两自由度平动由不同的伺服电机驱动，另一回转自由度由型号不同的伺服电机驱动。
(2)本发明将六个动力源通过连杆传动方式传递到翻转装置上，为冗余驱动，另外两个动力源固连在翻转装置上。
(3)本发明的翻转装置由两列完全相同的驱动支链驱动，提供两个平动自由度，且两列驱动支链相互协作，保证位置精度。
(4)本发明不仅把六组伺服电机输出的动力汇聚到翻转装置上，而且翻转装置本身带有两组动力，两组驱动支链不仅提供动力也兼有位置结构约束的作用。
(5)驱动支链中采用了连杆杆件平行四边形结构，将动力源通过连杆传递到翻转装置上，使得翻转装置更具有确定的运动轨迹以及位置精度。
附图说明：
图1是本发明机器人等轴测视角的结构示意图；
图2是本发明机器人侧面视角的结构示意图；
图3是本发明机器人俯视视角的结构示意图；
图4是本发明机器人的背面结构示意图；
图5是本发明机器人中驱动支链的平行四边形结构示意图之一；
图6是本发明机器人中驱动支链的平行四边形结构示意图之二；
图7是本发明机器人中翻转装置俯视视角的结构示意图；
图8是本发明的翻转装置中翻转大爪的剖面结构示意图；
图9是本发明机器人中的输送带装置结构示意图。
图中：1：减速机箱；2：第一翻转大爪；3：定位安装板；4：瓶爪；5：瓶爪垫；6：第一驱动气缸；7：第二驱动气缸；8：第一驱动装置；9：第一输送带；10：防护挡板；11：滚筒；12：输送机架；13：第二驱动装置；14：第三驱动装置；15：固定机架；16：第四驱动装置；17：点头法兰；18：小臂；19：保姿态杆；20：小臂拉杆；21：大臂；22：三角连接架；23：酒瓶插台；24：酒瓶样件；25：支撑姿态杆；26：传动姿态杆；27：姿态杆连接座；28：驱动连接板；29：第五驱动装置；30：第六驱动装置；31：底座；32：第四谐波减速器；33：第五谐波减速器；34：第六谐波减速器；35：第七驱动装置；36：第八驱动装置；37：第三谐波减速器；38：第二谐波减速器；39：第一谐波减速器；40：减速器；41：第二翻转大爪；42：驱动夹板；43：定位基板；44：气缸活塞杆；45：第一气缸底座板；46：第二气缸底座板；47：第三驱动气缸；48：第四驱动气缸；49：第二输送带。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明提供的一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人包括固定机架15、翻转装置、两套完全相同的驱动支链及输送带装置。所述两套驱动支链共同作用为翻转装置提供两个平动自由度。
如图1、图2、图3、图4所示，所述驱动支链之间通过转动铰链以及通过轴承与轴之间形成的转动副相互连接。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，所述驱动支链包括固定机架15、点头法兰17、保姿态杆19、小臂18、小臂拉杆20、大臂21、三角连接架22、支撑姿态杆25、传动姿态杆26、姿态杆连接座27、第二驱动装置13、第三驱动装置14、第四驱动装置16、第五驱动装置29、第七驱动装置35及第八驱动装置36。所述第二驱动装置13由电机和第一谐波减速器39组成，所述第三驱动装置14由电机和第二谐波减速器38组成，所述第四驱动装置16由电机和第三谐波减速器37组成，所述第五驱动装置29由电机和第四谐波减速器32组成，所述第七驱动装置35由电机和第五谐波减速器33组成，所述第八驱动装置36由电机和第六谐波减速器34组成，所述第二驱动装置13、第三驱动装置14、第四驱动装置16、第五驱动装置29、第七驱动装置35、第八驱动装置36均通过螺栓分别固定连接于固定机架15上，所述第二驱动装置13、第四驱动装置16同心对称布置，所述第五驱动装置29、第八驱动装置36同心对称布置；所述点头法兰17与所述第六谐波减速器34之间采用转动铰链连接；所述小臂18与所述第四谐波减速器32之间采用转动铰链连接；所述大臂21与所述第五谐波减速器33之间采用转动铰链连接，所述大臂21与所述三角连接架22通过轴承和轴同心连接形成转动副；所述保姿态杆19与所述三角连接架22和所述点头法兰17之间都采用转动铰链连接；所述小臂拉杆20的两端分别与所述支撑姿态杆25及所述小臂18之间采用转动铰链连接；所述支撑姿态杆25与所述姿态杆连接座27之间采用转动铰链连接，所述支撑姿态杆25与所述大臂21通过轴承和轴同心连接形成转动副；所述传动姿态杆26与所述姿态杆连接座27之间采用转动铰链连接，所述传动姿态杆26与所述三角连接架22通过轴承和轴同心连接形成转动副；所述小臂拉杆20的杆长(见图6中的直线M)与所述大臂21的杆长(见图6中的直线N)相等，所述小臂18的杆长(见图6中的直线Q)与所述支撑姿态杆25的杆长的一部分(见图6中的直线P)相等；P、M、N、Q四条直线杆件构成平行四边形结构，这样连接形成驱动支链中第一平行四边形PMQN；所述传动姿态杆26(见图5中的直线A)与所述支撑姿态杆25的杆长的一部分(见图5中的直线C)相等，所述三角连接架22的一边杆长(见图5中的直线B)与所述姿态杆连接座27的一边杆长(见图5中的直线D)相等；A、B、C、D四条直线杆件构成平行四边形结构，这样连接形成驱动支链中第二平行四边形ABCD。
如图1、图2、图3、图4、图7、图8所示，所述翻转装置由第一翻转大爪2、第二翻转大爪41、第一驱动装置8、第六驱动装置30、第一驱动气缸6、第二驱动气缸7、第三驱动气缸47、第四驱动气缸48、减速机箱1、定位安装板3、瓶爪4、瓶爪垫5、驱动夹板42、定位基板43组成。所述第六驱动装置30由电机和减速器组成，所述第六驱动装置30通过螺栓固连于减速机箱1上，所述减速机箱1和第一翻转大爪2通过轴承和轴同心连接，形成转动副，相互之间可绕轴自由转动；所述第一翻转大爪2和定位安装板3通过驱动夹板42固定连接，所述第三驱动气缸47、第四驱动气缸48同心对称安装于第一翻转大爪2内部两侧，所述第三驱动气缸47由气缸活塞板44、第一气缸底座板45、第二气缸底座板46组成，所述第三驱动气缸47、第四驱动气缸48通过螺栓固定连接于所述驱动夹板42上；所述定位安装板3、定位基板43通过螺栓固定连接，所述瓶爪4、瓶爪垫5通过粘合剂固定连接，所述瓶爪4、定位基板43通过螺栓固定连接；所述第一驱动装置8、第六驱动装置30完全相同；所述第一驱动气缸6、第二驱动气缸7、第三驱动气缸47、第四驱动气缸48完全相同；所述第一翻转大爪2、第二翻转大爪41完全相同；所述第一驱动装置8、第六驱动装置30对称布置，所述第一翻转大爪41、第二翻转大爪41对称布置。
如图1、图2、图3、图4、图9所示，所述输送带装置由第一输送带9、第二输送带49、防护挡板10、滚筒11、输送机架12、酒瓶插台23、酒瓶样件24组成；所述输送机架12、固定机架15位于同一水平面上；所述第一输送带9、第二输送带49位于同一平面上；所述第一输送带9、第二输送带49、第一翻转大爪2、第二翻转大爪41保持平行；所述酒瓶插台23水平放置并固定于所述第二输送带49上；所述酒瓶样件24竖直安装在酒瓶插台23上；输送带装置运行时，所述酒瓶插台23在第二输送带49的水平运动作用下带动所述酒瓶样件24向着翻转装置方向运行，在翻转装置的回转运动及上下前后运动下所述酒瓶样件24被水平放置于第一输送带9上，并朝着背向翻转装置的方向运行，完成一次工序。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，所述固定机架15上设有第二驱动装置13、第三驱动装置14、第四驱动装置16、第五驱动装置29、第七驱动装置35、第八驱动装置36，所述第五驱动装置29与所述小臂18通过转动铰链连接，第五驱动装置29驱动小臂18转动；所述第七驱动装置35与所述点头法兰17通过转动铰链连接，第七驱动装置35驱动点头法兰17转动；所述第八驱动装置36与所述大臂21通过转动铰链连接，第八驱动装置36驱动大臂21转动。所述的小臂拉杆20与小臂18通过转动铰链连接，小臂18带动小臂拉杆20转动，所述的保姿态杆19与点头法兰17通过转动铰链连接，点头法兰17带动保姿态杆19转动，所述的三角连接架22通过轴承和轴与大臂21同心连接，形成转动副，所述的保姿态杆19和所述三角连接架22通过转动铰链连接，所述的小臂拉杆20和所述支撑姿态杆25通过转动铰链连接，所述大臂21、保姿态杆19、小臂拉杆20共同带动三角连接架22以及支撑姿态杆25转动；所述支撑姿态杆25、传动姿态杆26分别通过转动铰链与所述姿态杆连接座28连接，所述传动姿态杆26通过轴承及轴和所述三角连接架22同心连接，形成转动副，三角连接架22带动支撑姿态杆25、传动姿态杆26转动以及前后上下的平动；所述姿态杆连接座28固定连接于所述减速机箱1上，实现翻转装置在平面内的二自由度移动。由于翻转装置在完全相同的两列驱动支链的约束下运动，且驱动支链之间存在两组连杆平行四边形结构限制，使得减速机箱1上表面始终平行于所述固定机架15。所述第一驱动装置8、第六驱动装置30对称固定连接于翻转装置两侧的减速机箱上，所述减速机箱1周向固定，所述第一驱动装置8、第六驱动装置30分别同时驱动翻转装置两侧第二翻转大爪41、第一翻转大爪2，所述翻转装置获得回转自由度。所述第一驱动气缸6、第二驱动气缸7、第三驱动气缸47、第四驱动气缸48分别固定连接于第二翻转大爪41、第一翻转大爪2内部，具体连接方式与图8的剖面图类似，所述四套驱动气缸均通过驱动夹板42与定位安装板3固定连接，所述第一驱动气缸6、第二驱动气缸7、第三驱动气缸47、第四驱动气缸48均采用气动装置，带动所述翻转装置两侧定位安装板运动，实现翻转装置对所述酒瓶样件24的搬运。

Claims (2)

1.一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人，其特征在于该机器人包括固定机架(15)、翻转装置、两套结构相同且对称设置的驱动支链及输送带装置；所述翻转装置包括第一翻转大爪(2)、第二翻转大爪(41)、第一驱动装置(8)、第六驱动装置(30)、第一驱动气缸(6)、第二驱动气缸(7)、第三驱动气缸(47)、第四驱动气缸(48)、减速机箱(1)、定位安装板(3)、瓶爪(4)、瓶爪垫(5)、驱动夹板(42)及定位基板(43)，所述第六驱动装置(30)通过螺栓固连在所述减速机箱(1)上，所述减速机箱(1)与所述第一翻转大爪(2)通过轴承和轴同心连接形成转动副，所述第一翻转大爪(2)通过所述驱动夹板(42)与所述定位安装板(3)固连，所述定位安装板(3)与所述定位基板(43)通过螺栓固连，所述瓶爪(4)与所述定位基板(43)通过螺栓固连，所述瓶爪垫(5)通过粘合剂与所述瓶爪(4)粘接，所述第一翻转大爪(2)与所述第二翻转大爪(41)结构相同且对称设置，所述第一驱动装置(8)与所述第六驱动装置(30)对称布置，所述第三驱动气缸(47)及第四驱动气缸(48)同心对称安装于所述第一翻转大爪(2)内部两侧，所述第三驱动气缸(47)包括气缸活塞板(44)、第一气缸底座板(45)及第二气缸底座板(46)，所述第三驱动气缸(47)及第四驱动气缸(48)通过螺栓固连于所述驱动夹板(42)上，所述第一驱动气缸(6)及第二驱动气缸(7)同心对称安装于所述第二翻转大爪(41)内部两侧，所述第一驱动气缸(6)、第二驱动气缸(7)、第三驱动气缸(47)及第四驱动气缸(48)的结构相同；所述驱动支链包括点头法兰(17)、保姿态杆(19)、小臂(18)、小臂拉杆(20)、大臂(21)、三角连接架(22)、支撑姿态杆(25)、传动姿态杆(26)、姿态杆连接座(27)、第二驱动装置(13)、第三驱动装置(14)、第四驱动装置(16)、第五驱动装置(29)、第七驱动装置(35)及第八驱动装置(36)，所述第二驱动装置(13)由电机和第一谐波减速器(39)组成，所述第三驱动装置(14)由电机和第二谐波减速器(38)组成，所述第四驱动装置(16)由电机和第三谐波减速器(37)组成，所述第五驱动装置(29)由电机和第四谐波减速器(32)组成，所述第七驱动装置(35)由电机和第五谐波减速器(33)组成，所述第八驱动装置(36)由电机和第六谐波减速器(34)组成，所述第二驱动装置(13)、第三驱动装置(14)、第四驱动装置(16)、第五驱动装置(29)、第七驱动装置(35)及第八驱动装置(36)均通过螺栓分别固定连接于所述固定机架(15)上，所述第二驱动装置(13)与所述第四驱动装置(16)同心对称布置，所述第五驱动装置(29)与所述第八驱动装置(36)同心对称布置，所述点头法兰(17)与所述第六谐波减速器(34)之间通过转动铰链连接，所述小臂(18)与所述第四谐波减速器(32)之间通过转动铰链连接，所述大臂(21)与所述第五谐波减速器(33)之间通过转动铰链连接，所述大臂(21)与所述三角连接架(22)通过轴承和轴同心连接形成转动副，所述保姿态杆(19)的两端分别与所述三角连接架(22)及所述点头法兰(17)通过转动铰链连接，所述小臂拉杆(20)的两端分别与所述支撑姿态杆(25)及所述小臂(18)通过转动铰链连接，所述支撑姿态杆(25)与所述姿态杆连接座(27)通过转动铰链连接，所述支撑姿态杆(25)与所述大臂(21)通过轴承和轴同心连接形成转动副，所述传动姿态杆(26)与所述姿态杆连接座(27)通过转动铰链连接，所述传动姿态杆(26)与所述三角连接架(22)通过轴承和轴同心连接形成转动副，所述小臂拉杆(20)的杆长与所述大臂(21)的杆长相等，所述小臂拉杆(20)、大臂(21)、小臂(18)及所述支撑姿态杆(25)通过运动副构成平行四边形结构，所述传动姿态杆(26)、三角连接架(22)、姿态杆连接座(27)及所述支撑姿态杆(25)通过运动副构成平行四边形结构；所述输送带装置包括第一输送带(9)、第二输送带(49)、防护挡板(10、滚筒(11)、输送机架(12)、酒瓶插台(23)及酒瓶样件(24)，所述输送机架(12)与所述固定机架(15)固定在同一水平面上，所述第一输送带(9)与所述第二输送带(49)位于同一平面上，所述第一输送带(9)与所述第二输送带(49)通过所述滚筒(11)水平对称设置在所述输送机架(12)上，所述防护挡板(10)对称设置在所述第一输送带(9)及第二输送带(49)的两侧，所述第一输送带(9)及第二输送带(49)与所述第一翻转大爪(2)及第二翻转大爪(41)保持平行，所述酒瓶插台(23)水平设置在所述第二输送带(49)上，所述酒瓶样件(24)竖直安装在所述酒瓶插台(23)上；所述姿态杆连接座(27)通过螺栓固定连接于所述减速机箱(1)上；所述两套结构相同且对称设置的驱动支链同向设置于所述固定机架(15)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于酒瓶批量翻转的三自由度机器人，其特征在于所述第一驱动装置(8)及第六驱动装置(30)采用伺服电机-减速器结构；所述第一驱动气缸(6)、第二驱动气缸(7)、第三驱动气缸(47)及第四驱动气缸(48)采用气动装置；所述第二驱动装置(13)、第三驱动装置(14)、第四驱动装置(16)、第五驱动装置(29)、第七驱动装置(35)及第八驱动装置(36)采用伺服电机-谐波减速器结构。
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